PCM - co prosím ?

Digitálně, tedy číslicově nebo-li binárně (tj. dva základní stavy elektrického signálu, log. 1 a 0) se dnes přenáší ledasco. Média a literatura nás zaplavuje pojmy "digitální televize", "digitální rozhlas", "digitální přenos", "ústředny PCM" atd.

Většina snímačů, která převádí mechanické a fyzikální proměnné na průběh elektrického signálu (hlas, obraz, teplota, atd., tj. mikrofon, kamera, teplotní čidla atd.) však na svůj výstup dodává v čase proměnný analogový elektrický signál. 

Tento analogový signál je třeba převést na digitální, aby jej bylo možné dále zpracovávat a "čarovat" s ním na zařízeních pro zpracování dat. 

Je nesporné, že zpracovávat, přenášet a ukládat na média pro další použití digitální signál je výhodnější než signál analogový.

Co vše se musí s analogovým signálem stát, aby byl převeden na digitální ?

Nejrozšířenějším principem je pulzní kódová modulace (PCM).

Podstatou PCM jsou tři základní operace: Vzorkování, kvantování a binární kódování.

Princip si vysvětlíme s použitím obrázku v příloze (otevřít obrázek).

Vzorkování

Analogový průběh signálu v čase se nejdříve ovzorkuje ve vzorkovacím obvodu. Vzorkovací frekvence musí být minimálně dvojnásobkem nejvyšší frekvence obsažené v analogovém signálu.

Touto vzorkovací frekvencí se z přivedeného analogového signálu vyberou úzké impulsy s amplitudou, kterou má spojitý analogový signál v jednotlivých okamžicích vzorkování.

Ze spojitého signálu se stává signál diskrétní, impulsový s analogově proměnnou amplitudou (ozn. PAM).

Kvantování

V dalším obvodu se velikost amplitudově modulovaných impulsů (PAM) kvantuje, to je původní amplitudě v daném vzorku se přiřadí velikost náležející k nejbližší kvantovací úrovni. Kvantovací úrovně jsou dány "stupnicí" amplitudy , výšky impulsů se tedy nepřenášejí do dalšího zpracování přesně, ale vždy jen s celou úrovní dílků na této pomyslné stupnici amplitudy. Dílky na této pomyslné stupnici mohou být odstupňovány např po 1mV, po 0.5mV atd. (Na našem obrázku je tato "stupnice" rozdělena po 1mV)

Rozhraní tvoří rozhodovací úroveň v polovině mezi sousedními kvantovacími úrovněmi.

Tímto se do signálu zavádí přídavný šum, zvaný kvantizační. Při vhodné volbě kvantovacích úrovní však neovlivní výsledný efekt při dalším zpracování digitalizovaného signálu.

Binární kódování

Kvantovaný signál se dále binárně kóduje, tj. k jednotlivým celým kvantizačním úrovním se přiřadí binární číslo.

Dle našeho obrázku se kvantovací úroveň 1 ohodnotí binárním číslem 0100. Hodnotě 10mV přísluší binární číslo 1010.

Jak dále vyplývá z našeho obrázku, 10 kvantizačních úrovní (10mV, rozděleno po 1mV) se kóduje pomocí čtyř bitů.

V praxi však toto nepostačuje, pro příklad 256 úrovní (např. kódování videosignálu) jsou zapotřebí skupiny o 8 bitech (2na8 = 256). Tyto skupiny se nazývají byty (bajty) nebo také slova. Skupina slov tvoří rámec.

Při sériovém přenosu binárního kódu (postupný přenos v čase jednotlivých bitů seskupených do slov a zakomponovaných do rámců) je třeba zajistit nejen správný bitový takt pomocí hodinových impulsů, ale i informaci o rámci.

Převod analogového signálu na digitální signál PCM (tj. vzorkování, kvantování a binární kódování) zajišťují analogově digitální převodníky A/D v podobě integrovaných obvodů.

Výhodou signálu PCM je relativně velká odolnost proti rušivým napětím, tedy zkreslování a nabalování šumu na signál při přenosu.

Hlavní nevýhodou PCM je relativně velká šířka potřebného pásma. Toto nemusí hrát roli v případě přenosů signálu PCM na kratší vzdálenosti (např. u systémů uzavřeného televizního okruhu, kde je videosignál přenášen pomocí PCM modulace).

U přenosů na větší vzdálenosti (digitální televizní vysílání, ISDN atd.) musí být PCM signál dále upravován, např. časově multiplexován (telekomunikace) nebo komprimován (digitální televizní vysílání).

O způsobech multiplexování a komprimování PCM signálu je připravován další příspěvek, z největší pravděpodobností celý seriál.

Literatura: AR-B 4/96, Telekomunikační technika 1. díl, technické dokumentace slaboproudých technologií